天線近場特性的研究范文

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《空間電子技術雜志》2015年第一期

1天線近場特性的研究方法

天線近場特性研究的重要性原本主要體現在認知理論方面，在工程實踐方面往往作為研究遠場的手段之一，如近場測試。隨著人類對無線電應用的拓展，對天線近場特性研究的實踐驅動也越來越明顯。同時，研究方法體系也越來越完善。

1．1理論方法求解天線近場問題的基礎仍然是在特定邊界條件下解Maxwell方程，在早期的近場傳播特性研究中，常常將Maxwell方程進行標量場近似［5］。近年來，有學者采用不同的展開序列研究近場特性。天線外部空間場滿足Helmholtz齊次方程，可以利用Wilcox展開方法將其電場和磁場展開為。依賴于遠場輻射方向圖。對于遠場，上式只存在0階項;而在近場，電磁場就復雜得多，包含的展開項也多。深入的研究表明:角矢量場An和Bn可以表示為天線的球面TE和TM模式，那么天線近場就可以展開為高階TE和TM模序列，這樣就得到了近場空間分布特性［6］。基于Weyl展開可以研究天線的譜域近場結構［7］。據此，可以針對特殊的應用背景研究天線在感應近場或Fresnel近場的特性［8］。但迄今為止，天線的近場特性理論研究仍然有待完善，理論工作者可以從不同的角度、用不同的方法去闡述天線近場特性。

1．2數值和仿真方法研究近場特性直觀的數值方法是口徑場積分法，但因積分函數復雜，所以計算速度很慢。后來出現了利用幾何繞射理論的計算方法，計算速度雖然提高了，但不能應用于散焦區的計算。對口徑場積分法進行改進，得到計算口徑面天線輻射近區場強的表達式，再將其與幾何繞射理論結合，可以提高計算速度［9］。高頻近似方法中的物理光學方法同樣非常耗時，同時要求對面電流有足夠多的點采樣。頻域方法中的矩量法、有限元法、邊界元法等都可用于天線近場特性分析，在實際研究中，通常將這些方法結合起來，實現高精度、高效率的求解。與時域近場測量技術的發展相同步，時域有限差分法和時域積分方程法也被用于計算天線近場傳播特性。為了適應市場需求，一些商業軟件也具備了近場特性仿真功能，常見的如AnsoftHFSS、FEKO、IE3D等。這些商業軟件當然也是基于某種數值算法的，所以其應用特點完全取決于內在算法。如前所述，天線近場特性研究仍然處于發展完善的過程中，所以所采用的數值和仿真方法也存在進一步發展的空間。

1．3實驗方法天線近場特性研究的實驗方法主要是指各種近場測量方法。近場測量的目的主要包括兩方面，一是由近場特性推算遠場特性，從而完成天線性能分析;二是由近場反演口徑場，進行天線的診斷。如前文所述，隨著近場應用的出現和發展，近場測量有望為工程實踐提供直接支撐。近場測量首先分為頻域測試和時域測試2大類。頻域測試方法適合窄帶天線的測量，通過改變使用的探針可以覆蓋不同的頻率。時域測試方法更適合寬帶天線測量，而且可以利用時間門效應消除多徑干擾，但在不同測試頻率上信噪比不同，造成測試精度難以控制。按照探針掃描方式，近場測量方法可以分為平面近場、柱面近場和球面近場測量。平面近場測量適合于高增益天線的測量，柱面近場測量適合于扇形波束的天線測量，球面近場測量則適合于對天線輻射場測量要求全面的場合。測量方式的選擇還與所研究問題的應用背景直接相關。

2近場特性的應用

已經有一些系統應用了天線的近場特性，如微波醫療設備、主動拒止系統等，與空間系統相關的應用也在發展過程中，下面討論幾種可能的近場特性應用場合。

2．1無線能量傳輸無線能量傳輸(WirelessPowerTransmission，WPT)技術是近年來發展較快的領域之一。從基本原理上無線能量傳輸可分為耦合式、諧振式和傳輸式，其中耦合式和諧振式利用了感應近場的原理，所以其傳輸距離受到很大限制。微波能量傳輸(MicrowavePowerTransmission，MPT)是基于無線電發射－接收模式的技術，但與無線電用于通信、遙感系統不同，微波能量傳輸受高傳輸效率的約束，所以理想情況是全能量接收，這樣就對能量收發天線口徑、傳輸距離有嚴格的約束。這種約束關系決定了微波能量傳輸一般是Fresnel近場傳輸模式(當然也有例外)。空間太陽能電站是微波能量傳輸技術的典型應用系統，二者的結合使空間太陽能電站的設想成為可能，使微波能量傳輸技術的潛力發揮到極致。空間太陽能電站是位于地球軌道(一般是GEO軌道)上的巨型太陽能發電衛星，利用光伏效應將太陽能轉化為電能，進一步轉化為微波能量，并利用發射天線將微波能量波束發向地面接收站，地面利用整流天線再將微波能量重新轉化為電能。截至目前，國際上已經提出30多種空間天陽能電站的系統模型，表2中選擇了幾種典型模型，并根據天線理論計算它們的傳播場區。大多數空間太陽能電站模型中微波能量傳輸系統應用的是Fresnel近場特性。目前，空間太陽能電站微波能量傳輸要解決的問題包括Fresnel近場傳輸理論的完善，以及圍繞高效率、高功率質量比、高可靠性目標所能采取的技術途徑。

2．2近場通信近場通信(NearFieldCommunication，NFC)技術是由非接觸式射頻識別(RFID)及互連互通技術整合演變而來的一種短程通信技術，最早由Philips公司和Sony公司共同提出，2004年獲批成為國際標準。近場通信的速率一般能滿足兩個設備之問點對點信息交換、內容訪問和服務交換的需求［14］。近場通信技術利用的是感應近場特性，支持讀寫模式、卡模式和通信模式3種基本操作。在空間系統中的潛在應用包括:航天員之間的通信、空間大型基礎設施建設中搖操作空間機器人對目標的識別等。融合了GPS定位、WiFi、快速響應、無線傳感器網絡及近場通信等技術的智能電話終端是航天員理想的智能通信終端。

2．3電磁兼容電磁兼容(ElectromagneticCompatibility，EMC)是電子設備與系統常見的問題。在以通信衛星為代表的空間電子系統中，有效載荷工作頻段覆蓋寬，包含大功率微波部件和電磁敏感設備，而且集中在一個體積不大的艙內，極容易發生電磁兼容問題。細致分析這些電磁兼容問題就可以發現其有的是因感應近場引起的，有的是因Fresnel近場引起的，還有的是因遠場輻射引起的。目前，解決衛星有效載荷的電磁兼容問題還停留在“規范法”和“解決問題法”結合的階段，而“系統工程法”是解決這一問題的高級階段［15］。要實現“系統工程法”的應用，前提是根據誘因細致分解EMC問題，然后逐項解決。理解衛星有效載荷中存在的感應近場和Fresnel近場的特性是解決其EMC問題的關鍵。

3結語

鑒于前期應用需求的牽引不足，天線近場特性研究無論在理論上、數值和仿真手段上還是測量方法上，雖然已經具備相當的基礎，但都存在不完善之處。感應近場和Fresnel近場傳波特性與航天科技相結合，不僅可以產生新的工程應用，也可以產生解決原有問題的新思路。伴隨電磁波近場傳播應用實踐的發展，天線近場特性研究將迎來又一個高峰。

作者：董士偉董亞洲吳皓威付文麗李正軍單位：中國空間技術研究院西安分院空間微波技術國家級重點實驗室重慶大學飛行器測控與通信教育部重點實驗室